246高大空间分层空调建立条件及热舒适性的若干因素分析.docx
- 文档编号:11329139
- 上传时间:2023-02-27
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:190.19KB
246高大空间分层空调建立条件及热舒适性的若干因素分析.docx
《246高大空间分层空调建立条件及热舒适性的若干因素分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《246高大空间分层空调建立条件及热舒适性的若干因素分析.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
246高大空间分层空调建立条件及热舒适性的若干因素分析
高大空间分层空调建立条件及热舒适性的
若干因素分析
北京建筑工程学院王季楼卞康
摘要探讨了高大空间分层空调建立的条件,通过数值模拟软件分析分层空调的气流组织及热舒适性,研究送风口相对高度及换气次数等因素对高大空间分层空调形成的影响,总结出相关数据以指导工程实践。
关键词送风口相对高度换气次数分层空调数值模拟热舒适
Analysisofinfluencingfactorsoflargespacestratifiedairconditioningtoestablishconditionsandthermalcomfort
ByWangJilou★,BianKang
Abstract:
Analysistheestablishconditionsoflargespacestratifiedairconditioning.Proposedtheconceptofrelativehighofsupplyairoutlet.AnalyzetheairflowandthermalcomfortofstratifiedairconditioningbytheCFDsoftware.Studytheinfluenceoftherelativelyhighofsupplyairoutletandaircirculationratioontheformationofstratifiedairconditioning.
Keyword:
relativelyhighofsupplyairoutlet;aircirculationratio;stratifiedairconditioning;numericalsimulation;thermalcomfort
0引言
高大空间分层空调是空调设计中经常采用的一种气流方式,最早采用分层空调的方式可以追溯到上世纪60年代美国的一些建筑,此后在包括中国在内的世界各地大量应用[1]。
分层空调一般可以定义为:
在大空间两侧或单侧腰部设置送风口,下部设置回风口,运用多股平行非等温射流将空间隔断为上下两部分,仅对下部空间形成“空调区”,对上部空间形成“非空调区”。
由于分区控制,在设计时可以只计算非空调区的部分空调负荷,减少了能量的消耗。
中国建筑科学研究院空调所的邹月琴等人进行的分层空调热转移负荷计算方法的研究认为:
对于高大空间建筑分层空调一般可以节约冷负荷30%左右[2]。
因此,对于高大空间建筑分层空调方式是一种较好的选择。
本文通过数值模拟软件建立并分析一典型的分层空调模型。
在模拟软件中改变不同的边界条件,研究送风口相对高度及换气次数对高大空间分层空调形成的影响,并探讨影响热舒适性的若干因素,总结出相关数据以指导工程实践。
1数值模拟
1.1物理模型
建立一个常见且简单的物理模型,如图1.1所示空调方式为对吹型的上送下回式,送风口与回风口都位于模型的正中部。
红色区域的壁面定义为外墙,采用定壁温边界条件。
为了便于计算简便,除外墙和地面外其他壁面按绝热面处理。
基本边界条件如表1.1所示,但一些边界条件的变化会造成不同的气流形式。
图1.1简化模型示意图图2.1送风口相对高度示意图
表1.1模拟计算的基本边界条件
名称
相关参数
备注
模型尺寸
25.2m×13.8m×16.8m
跨度×房高×进深
送风口尺寸
4m×0.08m
送风温度
18℃
送风速度
4.6m/s
水平
送风口高度
4m
风口中线位置
外墙壁面温度
38℃
地面传热量
10W/m2
作为内部热源
1.2数学模型
高大空间室内气流的流动状态为湍流,模拟过程应用室内零方程模型,同位网格,SIMPLE算法等进行迭代计算,模拟采用的数学模型通用表达式如下:
div(ρuΦ)=div(ΓΦgradΦ)+SΦ(1-1)
式中:
Φ──为通用变量;
SΦ──为广义源项;
ΓΦ──为广义扩散系数。
2模拟结果分析
2.1送风口相对高度概念的提出
本论文定义一无量纲因数Ω,该因数的含义是送风口高度与房高的比值,称之为送风口相对高度。
如图2.1所示。
(2-1)
式中:
h──送风口高度,m;
H──房高,m。
2.2不同边界条件分析
2.2.1房高不同
表2.1换气次数
房高
(m)
换气量
(m3/h)
送风口以下空调区域换气次数
整体空间
换气次数
Ω
25
10600
6.26
1.00
0.16
20
10600
6.26
1.25
0.20
18
10600
6.26
1.39
0.22
16
10600
6.26
1.56
0.25
14
10600
6.26
1.79
0.28
12
10600
6.26
2.07
0.33
10
10600
6.26
2.50
0.40
8
10600
6.26
3.13
0.50
房高25m,Ω=0.16房高20m,Ω=0.20
房高18m,Ω=0.22房高16m,Ω=0.25
房高14m,Ω=0.28房高12m,Ω=0.33
房高10m,Ω=0.40房高8m,Ω=0.50
图2.2Z=8.4m纵断面不同工况温度场对比图
模拟结果分析:
如表2.1中数据所示,由于风口高度恒定,送风口以下空调区域换气次数是一样的。
但是,由于房高不同,整体空间的换气次数是不同的。
从图2.2中可以明显看出,在换气次数恒定时,房高大于20m和小于10m时,都不再有明显的分层现象。
数据分析得出,当建筑物的Ω值为0.2~0.4时,整体空间的换气次数在1~3次之间,那么室内垂直方向上温度分布存在梯度,能够产生明显的分层现象。
2.2.2送风口高度不同
各种工况的整体空间的换气次数是一样的,但是送风口以下空调区域换气次数是不同的。
表2.2换气次数
送风口高度
(m)
换气量
(m3/h)
送风口以下空调区域换气次数
整体空间换气次数
Ω
3.0
10600
8.35
1.8
0.22
3.5
10600
7.15
1.8
0.25
4.0
10600
6.26
1.8
0.29
4.5
10600
5.56
1.8
0.33
5.0
10600
5.00
1.8
0.36
5.5
10600
4.55
1.8
0.40
6.0
10600
4.17
1.8
0.43
送风口高度3m,Ω=0.22送风口高度4m,Ω=0.29
送风口高度5m,Ω=0.36送风口高度6m,Ω=0.43
图2.3Z=8.4m纵断面不同工况温度场对比图
模拟结果分析:
从图2.3中可以看出,7种不同的送风高度都产生了温度分层现象,上下温度相差2℃左右。
送风高度的变化对非空调区的温度影响相对较大。
如表2.2中的数据所示,这7种不同工况的Ω值在0.2~0.4之间,并且整体空间的换气次数也在1~3次之间,产生了明显的温度分层现象,这与2.2.1节中所得出的结论相符合。
2.2.3送风速度不同
表2.3换气次数
送风口断面高度(mm)
送风速度
(m/s)
换气量
(m3/h)
送风口以下空调区域换气次数
整体空间换气次数
Ω
80
4.6
10600
6.26
1.8
0.29
80
5.75
13250
7.83
2.25
0.29
80
6.9
15900
9.39
2.7
0.29
80
8.05
18550
10.95
3.15
0.29
80
9.2
21200
12.52
3.6
0.29
送风速度8.05m/s,Ω=0.29送风速度9.2m/s,Ω=0.29
整体空间换气次数3.15整体空间换气次数3.6
图2.4Z=8.4m纵断面不同工况温度场对比图
模拟结果分析:
如表2.3中数据所示,5种不同送风速度工况的Ω值均为0.29,当送风速度为8.05m/s和9.2m/s时,整个空间的换气次数为3.15次和3.6次,按照2.2.1节中所得的结论,这两种工况垂直方向上将没有明显的温度梯度,即没有温度分层现象,图2.4中可以明显看出模拟结果与所得结论相符合。
2.2.4送风口断面高度不同
表2.4换气次数
送风口断面高度(mm)
送风速度
(m/s)
换气量
(m3/h)
送风口以下空调区域换气次数
整体空间换气次数
Ω
40
4.6
5300
3.13
0.91
0.29
60
4.6
7950
4.69
1.36
0.29
80
4.6
10600
6.26
1.8
0.29
100
4.6
13250
7.83
2.25
0.29
120
4.6
15900
9.39
2.7
0.29
140
4.6
18550
10.95
3.15
0.29
送风口断面高度40mm,Ω=0.29送风口断面高度140mm,Ω=0.29
整体空间换气次数0.91整体空间换气次数3.15
图2.5Z=8.4m纵断面不同工况温度场对比图
模拟结果分析:
如表2.4中数据所示,5种不同送风口断面高度工况的Ω值均为0.29,当送风口断面高度为40mm时,整个空间的换气次数为0.91次,按照2.2.1节中所得的结论,这种工况垂直方向上将没有明显的温度梯度,即没有温度分层现象,图2.5中可以明显看出模拟结果与所得结论相符合。
2.2.5外墙壁面温度
由于建筑物的朝向不同,外墙的壁面温度会有所不同,同样,日间外墙的壁面温度也会有所变化。
本节将在其他条件保持不变的情况下(房高13.8m;送风口尺寸4m×0.08m;送风温度18℃;送风速度4.6m/s;送风口高度4m;地面传热量10W/m2),只改变模型外墙的壁面温度,分析外墙壁面温度的变化对分层空调室内气流组织及热舒适性的影响。
表2.52m以下工作区的各项参数平均值
外墙壁面温度(℃)
温度(℃)
风速(m/s)
空气龄(s)
PMV
PPD(%)
24
20.9
0.24
2028
-1.02
28.19
28
22.2
0.24
2004
-0.68
16.06
32
23.4
0.24
1958
-0.35
8.67
36
24.7
0.24
1919
0.01
6.08
40
26.0
0.24
1897
0.37
8.75
44
27.2
0.24
1880
0.71
16.39
模拟结果分析:
从表2.5中可以看出,外墙的壁面温度对工作区的平均温度影响很大,呈线性变化,而且随着壁面温度的升高,非空调区上部温度随之升高。
空调区空气龄逐渐减少,原因是工作区温度升高后气流向上运动,继而冷气流补充到工作区的原因。
外墙的壁面温度影响着室内热舒适性,但对工作区的风速基本没有影响。
2.2.6送风口高度
本节将在其他条件保持不变的情况下(房高13.8m;送风口尺寸4m×0.08m;送风温度18℃;送风速度4.6m/s;外墙壁面温度38℃;地面传热量10W/m2),只改变模型的送风口高度,分析送风口高度的变化对分层空调室内气流组织及热舒适性的影响。
表2.62m以下工作区的各项参数平均值
送风口高度(m)
温度(℃)
风速(m/s)
空气龄(s)
PMV
PPD(%)
3.0
25.4
0.30
1955
0.17
7.99
3.5
25.4
0.28
1924
0.17
7.63
4.0
25.4
0.24
1916
0.18
7.18
4.5
25.4
0.23
1946
0.18
7.12
5.0
25.3
0.24
1879
0.14
6.86
5.5
25.3
0.24
1891
0.15
6.90
6.0
25.3
0.24
1908
0.16
7.03
模拟结果分析:
从表2.6中数据来看,风口高度的变化对工作区的温度,空气龄及热舒适性影响不大,只是对工作区的风速影响明显。
可以看出,在保证工作区热舒适性的前提下,如果想有效地改变工作区的风速,可以通过调整送风口高度来实现。
2.2.7送风角度
本节将在其他条件保持不变的情况下(房高13.8m;送风口尺寸4m×0.08m;送风温度18℃;送风速度4.6m/s;送风口高度4m;外墙壁面温度38℃;地面传热量10W/m2),只改变模型的送风角度,分析送风角度的变化对分层空调室内气流组织及热舒适性的影响。
表2.72m以下工作区的各项参数平均值
送风角度
温度(℃)
风速(m/s)
空气龄(s)
PMV
PPD(%)
水平
25.4
0.24
1916
0.18
7.18
上扬15°
25.4
0.22
1927
0.20
7.34
上扬20°
25.4
0.21
1961
0.21
7.33
上扬25°
25.5
0.20
2055
0.24
7.74
上扬30°
25.4
0.18
2138
0.21
7.56
上扬45°
26.3
0.14
2774
0.51
11.5
模拟结果分析:
夏季时上扬一定的送风角度可以减缓冷气流过快下坠,对增加气流的射程有利。
从表2.7中可以看出,送风角度主要对工作区的风速产生影响,但是,当上扬角度达到45°时,工作区温度明显升高,原因是送风上扬角度过大会使冷气流出现直上直下的现象,使得没有足够的气流射程,对吹的气流无法相互搭接,形成气幕隔断来阻断非空调区的热量向空调区的热量转移,所以建议在设计送风的上扬角度时尽量控制在30°以下。
在送风口高度确定时,将送风口的出风上扬一定角度对降低工作区的风速有利,但是上扬角度尽量避免超过30°。
2.2.8送风温度
本节将在其他条件保持不变的情况下(房高13.8m;送风口尺寸4m×0.08m;送风速度4.6m/s;送风口高度4m;外墙壁面温度38℃;地面传热量10W/m2),只改变模型的送风温度,分析送风温度的变化对分层空调室内气流组织及热舒适性的影响。
表2.82m以下工作区的各项参数平均值
送风温度
温度(℃)
风速(m/s)
空气龄(s)
PMV
PPD(%)
16℃
24.2
0.26
1912
-0.18
7.82
17℃
24.8
0.24
1916
0.00
6.79
18℃
25.4
0.24
1916
0.18
7.18
19℃
26.0
0.24
1942
0.36
9.13
20℃
26.5
0.24
1926
0.50
12.08
模拟结果分析:
从表2.8中可以看出,送风温度对工作区的温度起决定作用,对风速和空气龄基本没有影响。
所以,当送风量一定时,调整送风温度是改变空调区温度的最佳途径。
3结论
在分层空调方案设计时,推荐应用以下结论:
当建筑物的送风口相对高度Ω值为0.2~0.4时,将整体空间的换气次数设定在1~3次之间(小于1次时,空调区温度过高,热舒适性差;大于3次时,空调系统提供的冷量过大,能耗高),室内垂直方向上温度分布存在梯度,能够产生明显的分层现象,从而达到节能的目的。
并且,将送风口以下的空调区的换气次数维持在6次左右时,能够使工作区产生较好得热舒适性效果。
在影响热舒适性的诸因素中,外墙的壁面温度、送风口高度、送风角度、送风温度、换气次数等参数对高大空间分层空调气流组织及热舒适性的影响程度如表3.1所示。
表3.1不同因素对工作区热舒适性的影响程度
工作区各项参数
外墙的壁面温度
送风口高度
送风角度
送风温度
换气次数
温度
较强
轻微
较弱
较强
较强
风速
较弱
轻微
轻微
较弱
较强
空气龄
较弱
较弱
轻微
较弱
较强
热舒适性
较强
较弱
轻微
较强
较强
注:
影响程度按较弱、轻微、较强依次递增。
从表3.1中可以明显看出,换气次数对分层空调的气流组织及热舒适性的影响均为较强,这说明换气次数对分层空调的影响是至关重要的,在分层空调的设计中也是要着重考虑的。
另外,在工程设计及运行维护中,可以参考表3.1对高大空间分层空调的气流组织及热舒适性进行有针对性地调整。
参考文献:
[1]满孝新.高大洁净厂房分层空调气流组织数值模拟[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文.1998
[2]邹月琴等.分层空调热转移负荷计算方法的研究[J].暖通空调,1983(3),11
[3]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:
西安交通大学出版社.2001
[4]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社,2004
[5]陈晓春,朱颖心等.零方程模型用于空调通风房间气流组织数值模拟的研究[J].暖通空调,2006,36(8):
19-24
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 246 高大 空间 分层 空调 建立 条件 舒适 若干 因素 分析
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)